CN110627811B - 一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的合成方法及应用 - Google Patents

一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的合成方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机化合物的合成及分离技术领域，公开一种以顺式‑联噻为吩构筑单元连接的八元卟啉的合成方法及应用。本发明以二联噻吩为原料，先合成噻吩二醇化合物，再与吡咯反应得到噻吩二吡咯化合物，最后与不同芳香醛反应得到目标产物八元卟啉。该八元卟啉化合物对汞离子具有极高的敏感性和选择性，并且不受其它金属阳离子的影响，可作为高效的汞离子传感器，有较好的应用前景。本发明的优点：提纯方法简单，实验过程容易控制，反应中副产物较少，易于分离提纯。

Description

一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的合成方 法及应用
技术领域
本发明属于有机化合物的合成及分离技术领域，提出的合成一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的新型八元卟啉的合成方法，并用于检测溶液中Hg2+离子的用途。
背景技术
卟啉(Porphyrin)是一种具有芳香性的大环共轭杂环化合物，是广泛存在于自然界中的。卟吩(Porphine)作为卟啉分子中的杂环母体，当卟吩外环上连有其他取代基后，就可以得到不同结构的卟啉。卟啉中的四个吡咯环通过四个次甲基桥连接，形成18电子的大π共轭体系，而针对性的对卟啉大环芳香性结构进行修饰，可以制备出具有特殊性质的卟啉衍生物。卟啉分子具有很强的可修饰性，主要分为以下三种:(1)卟啉环的外围修饰(可以在meso-和β-位引入各种官能团)；(2)卟啉环的中心修饰(利用金属离子取代卟啉中心氮原子上的氢形成金属卟啉或者卟啉中心氮原子被氧、硫等杂原子取代成为杂环卟啉)；(3)卟啉母体环的改变(改变吡咯环的数目得到压缩卟啉和扩展卟啉)。经过修饰后的卟啉既保留了部分卟啉的结构和特性，又具有自身独特的性质，成为具有特殊功能选择性的分子被应用于医学、仿生学、材料化学和分析化学等领域。其中，通过增加吡咯环的个数形成的扩展卟啉与普通卟啉相比，性质发生明显改变。扩展卟啉随着吡咯环的增多所形成的环也相应变大，使存在多种环状空间结构成为可能，同时使环状结构的柔性增强。研究表明，随着吡咯环的增多，扩展卟啉的紫外-吸收可见光谱会发生明显红移。由于扩展卟啉具有较高的摩尔吸收系数、稳定的光学性质、极强的结构可修饰性、明显的光谱位移等优点，成为化学、材料和生物等科学领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的以顺式-联噻吩单元为中间连接的八元卟啉化合物的合成方法及其性质表征。以联噻吩为原料，先合成联噻吩二醇化合物，再与吡咯反应得到联噻吩二吡咯化合物，最后与不同芳香醛反应得到目标产物八元卟啉化合物。该八元卟啉具有扭曲的“8”字型结构，并且对Hg2+离子具有极高的敏感性和选择性。当目标产物在溶液中遇到Hg2+离子时，紫外吸收光谱发生明显的红移，并且溶液颜色从红色变成蓝色。与此同时其他金属阳离子对Hg2+离子的检测没有显著干扰，因此，该新型八元卟啉化合物可以作为传感仪应用于溶液中Hg2+离子的定性检测。
本发明所描述的以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉具有以下分子结构式：
Figure GDA0003245991810000021
此化合物的分子式4a:C74H38F10N4S4、4b:C74H46O4N6S4、4c:C78H52O4N4S4
本发明所涉及的合成路线为：
Figure GDA0003245991810000022
本发明以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的合成方法，按照下述步骤进行：
(1)以现蒸馏的干燥正己烷作为溶剂，在氮气保护条件下，将四甲基乙二胺(TMEDA)和正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液逐滴加入至反应溶液中，搅拌10min后，逐滴加入2,2’-联噻吩，回流1～2h，冰水浴冷却至0℃，逐滴加入干燥的四氢呋喃(THF)与苯甲醛的混合溶液，滴加完毕，撤去冰水浴待其恢复至室温，搅拌至原料反应完全；加入冷的氯化铵水溶液猝灭反应，利用二氯甲烷萃取、分别用蒸馏水、饱和食盐水洗涤、干燥后旋蒸除去溶剂得到粗产物，用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂，按照1:1的比例混合，作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱下的组分，并用旋转蒸发仪旋干得到白色固体目标产物2，即5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩。
步骤(1)中，所述正己烷、四甲基乙二胺、正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液、2,2’-联噻吩、四氢呋喃、苯甲醛的用量比例为：52mL：4.8mL：20mL：2.66g：20mL：3.38g，其中，正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液的浓度为1.6mol/L。
(2)将步骤(1)得到的5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩加入反应瓶，氮气保护条件下，以1,2-二氯乙烷作为溶剂，再加入吡咯，缓慢加入三氟化硼乙醚溶液，梯度升温，回流11～12h；反应结束进行抽滤，去除滤渣，二氯甲烷洗涤反应物，旋蒸除去溶剂；利用中性氧化铝柱对产物进行粗处理，二氯甲烷作为洗脱液，收集组分将有机溶剂旋蒸除去。再用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚(体积比1:3)的混合溶剂作为洗脱剂进行梯度洗脱，溶剂在减压条件下除去，得到黄色的油状目标产物3，即5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩。
步骤(2)中，5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩、1,2-二氯乙烷、吡咯、三氟化硼乙醚的用量关系为3mmol：40mL：10mL：1.6mL。
(3)将步骤(2)制得的5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩分别与芳香醛，作为原料加入反应仪，氮气保护条件下，二氯甲烷作为溶剂，加入三氟乙酸，室温下避光搅拌11～12h，加入2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)，撤去氮气保护，继续搅拌3～4h，用饱和碳酸氢钠溶液猝灭反应，利用二氯甲烷萃取、饱和食盐水洗，干燥后将溶剂在旋转蒸发仪中减压去除，用硅胶柱层析法提纯化合物，以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂作为洗脱剂进行梯度洗脱，利用旋转蒸发仪将溶剂减压去除，得到的化合物再进行重结晶，得到目标产物4，以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的晶体。
步骤(3)中，所述5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩、芳香醛、三氟乙酸、DDQ的用量比为：0.38mmol：0.4mmol：90μL：0.86mmol。
所述芳香醛为五氟苯甲醛、对硝基苯甲醛或者对甲酰基苯甲酸甲酯。
将本发明制备以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉用于检测溶液中Hg2+的用途。
将本发明制备的八元卟啉用于检测溶液中Hg2+离子时，首先需要将八元卟啉配成5×10-5mol/L的溶液，此时溶液颜色为红色。然后将含有汞离子的待溶液逐滴加入上述配置好的八元卟啉溶液时，溶液颜色会发生改变，从红色转变成蓝色。本发明的优点：
(1)本发明提纯方法比较简单，实验过程容易控制，反应中副产物较少，易于分离提纯，产率适中。
(2)本发明制备的以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉对金属离子具有较高的选择性，可针对性检测溶液中汞离子并且不受其它金属阳离子的影响，可作为高效的汞离子传感仪，有较好的应用前景。
附图说明
图1为实例1中目标产物八元卟啉4a的MALDI-TOF-Ms质谱图。
图2为实例2中目标产物八元卟啉4b的MALDI-TOF-Ms质谱图
图3为实例3中目标产物八元卟啉4c的MALDI-TOF-Ms质谱图
图4为实例1、2、3中目标产物八元卟啉4a、4b、4c的紫外-可见吸收光谱。
图5为实例1中目标产物八元卟啉4a在加入不同金属阳离子后的紫外可见光谱变化。
图6为实例1中目标产物八元卟啉4a加入混合金属阳离子溶液后的紫外可见光谱变化(Mix.＝Ni2++Co2++Cu2++Mg2++Ca2++Zn2++Pb2++K++Na+)。
图7为实例1中目标产物八元卟啉4a在不同金属阳离子存在下的溶液颜色。
图8中图a为实例1中用高氯酸汞溶液在二氯甲烷中滴定目标产物八元卟啉4a溶液滴定后紫外可见光谱变化中第一步；图8中图b为实例1中用高氯酸汞溶液在二氯甲烷中滴定目标产物八元卟啉4a溶液滴定后紫外可见光谱变化中第二步。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明
实施例1
(1)5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩的合成：
以现蒸馏的干燥正己烷52mL作为溶剂，在氮气保护条件下，将4.8mL四甲基乙二胺(TMEDA)和20mL 1.6mol/L的正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液逐滴加入至反应溶液中，搅拌10min后，逐滴加入2.66g 2,2’-联噻吩，回流1～2h，冰水浴冷却至0℃，逐滴加入干燥的四氢呋喃(THF)20mL与3.38g苯甲醛的混合溶液，滴加完毕，撤去冰水浴待其恢复至室温，搅拌至原料反应完全。加入冷的氯化铵水溶液猝灭反应，利用二氯甲烷萃取、分别用蒸馏水、饱和食盐水洗涤、干燥后旋蒸除去溶剂得到粗产物，用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂，按照1:1的比例混合，作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱下的组分，并用旋转蒸发仪旋干得到白色固体目标产物2，即5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩。
(2)5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩的合成：
将上述步骤(1)中得到的5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩2(1.14g，3mmol)加入反应瓶，氮气保护条件下，以40mL 1,2-二氯乙烷作为溶剂，再加入吡咯(10mL，145mmol)，缓慢加入1.6mL三氟化硼乙醚溶液，梯度升温，回流11～12h。反应结束进行抽滤，去除滤渣，二氯甲烷洗涤反应物，旋蒸除去溶剂。利用中性氧化铝柱对产物进行粗处理，二氯甲烷作为洗脱液，收集组分将有机溶剂旋蒸除去。再用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚(体积比1:3)的混合溶剂作为洗脱剂进行梯度洗脱，溶剂在减压条件下除去，得到黄色的油状目标产物3，即5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩。
(3)目标化合物八元卟啉4a的合成和提取
合成部分：
在250mL的单颈瓶中加入噻吩二吡咯化合物3(181mg，0.38mmol)和五氟苯甲醛(0.068mL，0.4mmol)，氮气保护的条件下，单颈瓶内加入120mL的二氯甲烷溶剂，用微量进样针吸取90μL三氟乙酸缓慢注入，室温下避光搅拌11～12h，撤去氮气保护，加入2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)(210mg，0.86mmol)，继续反应约3～4h。直至反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液猝灭，利用20mL二氯甲烷萃取2～3次、饱和食盐水洗，无水硫酸钠干燥，然后将反应液置于旋转蒸发仪中旋干，并对得到的残余物进行提纯。
提取部分:
取残余物溶于8mL二氯甲烷，用薄层层析硅胶作固定相，色谱柱直径4.5cm，柱高10-12cm，固定相200-300目，湿法上柱。以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂(体积比1:3)作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱的紫色带组分，并用旋转蒸发仪旋干得到固体化合物。用二氯甲烷作为良溶剂，甲醇作为不良溶剂，重结晶得到目标产物4a。
本发明的附图1为实例1中目标产物八元卟啉4a的MALDI-TOF-MS质谱图，可以看出，目标产物八元卟啉的实测值是1301.19，其理论值是1300.18，说明实测值与理论值相符合。
本发明的附图2为下述实例2中目标产物八元卟啉4b的MALDI-TOF-MS质谱图，可以看出，目标产物八元卟啉的实测值是1211.25，其理论值是1210.25，说明实测值与理论值相符合。
本发明的附图3为下述实例3中目标产物八元卟啉4c的MALDI-TOF-MS质谱图，可以看出，目标产物八元卟啉的实测值是1237.29，其理论值是1236.29，说明实测值与理论值相符合。
本发明的附图4为实例1及下述实例2、3中目标产物八元卟啉4a、4b、4c的紫外-可见吸收光谱图，从图中可以看出，八元卟啉4a在525nm处有一个强吸收峰，另外分别在385nm和730nm处有吸收峰；八元卟啉4b在551nm处有最大吸收峰，在389nm和734nm处有两个吸收峰；八元卟啉4c在528nm处有最强吸收峰，在382nm和737nm处有吸收峰，说明三种目标产物有相似的光学性质。
本发明的附图5为实例1中目标产物八元卟啉4a加入不同金属阳离子后的紫外可见光谱变化，可以看出，八元卟啉4a在分别加入Ni2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Pb2+、K+、Na+离子后，吸收光谱无明显变化，而在加入Hg2+离子后，吸收光谱发生了明显红移。
本发明的附图6为实例1中目标产物八元卟啉4a加入混合金属阳离子溶液后的紫外可见光谱变化(Mix.＝Ni2++Co2++Cu2++Mg2++Ca2++Zn2++Pb2++K++Na+)。从吸收光谱的变化中可以看出，当溶液中加入Ni2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Pb2+、K+、Na+混合离子溶液时，吸收光谱无明显变化，只有加入Hg2+离子后紫外可见光谱发生明显红移，进一步说明其它金属阳离子存在的情况下对于目标产物对Hg2+离子的响应无影响，八元卟啉对Hg2+离子有较高的选择性。
本发明的附图7为实例1中目标产物八元卟啉4a在不同金属阳离子存在下的溶液颜色，可以看出，只有Hg2+离子使溶液颜色由红色变为蓝色，应用于离子检测时使裸眼检测成为有效手段。
本发明的附图8中图a为实例1中用高氯酸汞溶液在二氯甲烷中滴定目标产物八元卟啉4a溶液滴定后紫外可见光谱变化中第一步反应过程，随着Hg2+离子溶液浓度的不断增加，在386nm和525nm处两个强吸收峰不断降低，与此同时在615nm处出现新的强吸收峰，403nm处出现吸收峰。
本发明的附图8中图b为实例1中用高氯酸汞溶液在二氯甲烷中滴定目标产物八元卟啉4a溶液滴定后紫外可见光谱变化中第二步反应过程，新出现的615nm处强吸收峰和403nm处吸收峰强度逐渐减小，在694nm处又出现新的强吸收峰，并且强度逐渐增大。
实施例2
(1)合成步骤同实施例1的步骤(1)；
(2)合成步骤同实施例1的步骤(2)；
(3)目标化合物八元卟啉4b的合成和提取
合成部分：
在250mL的单颈瓶中加入噻吩二吡咯化合物3(181mg，0.38mmol)和对硝基苯甲醛(60mg，0.4mmol)，氮气保护的条件下，向单颈瓶内加入120mL的二氯甲烷溶剂，用微量进样针吸取90μL三氟乙酸缓慢注入，室温下避光搅拌11～12h，撤去氮气保护，加入2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)(210mg，0.86mmol)，继续反应约3～4h。直至反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液猝灭，利用20mL二氯甲烷萃取2～3次、饱和食盐水洗，无水硫酸钠干燥，然后利用旋转蒸发仪将溶剂旋蒸除去，旋干得到的粗产物进行提纯。
提取部分:
取残余物溶于8mL二氯甲烷，用薄层层析硅胶作固定相，色谱柱直径4.5cm，柱高9-10cm，固定相200-300目，湿法上柱。以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂(体积比2:1)作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱的紫色带组分，并用旋转蒸发仪旋干得到固体化合物。用二氯甲烷作为良溶剂，甲醇作为不良溶剂，重结晶得到目标产物4b。
实施例3
(1)合成步骤同实施例1的步骤(1)；
(2)合成步骤同实施例1的步骤(2)；
(3)目标化合物八元卟啉4c的合成和提取
合成部分：
在250mL的单颈瓶中加入噻吩二吡咯化合物3(181mg，0.38mmol)和对甲酰基苯甲酸甲酯(66mg，0.4mmol)，氮气保护的条件下，向单颈瓶内加入120mL的二氯甲烷溶剂，用微量进样针吸取90μL三氟乙酸缓慢注入，室温下避光搅拌11～12h，撤去氮气保护，加入2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)(210mg，0.86mmol)，继续反应约3～4h。直至反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液猝灭，利用20mL二氯甲烷萃取2～3次、饱和食盐水洗，无水硫酸钠干燥，然后利用旋转蒸发仪将溶剂旋蒸除去，旋干得到的粗产物进行提纯。
提取部分:
取残余物溶于8mL二氯甲烷，用薄层层析硅胶作固定相，色谱柱直径4.5cm，柱高9-10cm，固定相200-300目，湿法上柱。以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂(体积比5:1)作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱的紫色带组分，并用旋转蒸发仪旋干得到固体化合物。用二氯甲烷作为良溶剂，甲醇作为不良溶剂，重结晶得到目标产物4c。
实验部分
1.目标产物八元卟啉4a，4b，4c的MALDI-TOF-MS质谱数据
表1.八元卟啉的MALDI-TOF-MS质谱数据
Figure GDA0003245991810000071

Claims (9)

1.一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉，其特征在于，分子结构式为：
Figure FDA0003245991800000011
其中，Ar为-C6F5，-C6H4NO2，或-C6H4COOCH3。
2.如权利要求1所述的一种以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩，备用；
(2)制备5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩，备用；
(3)将步骤(2)制得的5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩分别与芳香醛，作为原料加入反应仪，所述芳香醛为五氟苯甲醛、对硝基苯甲醛或者对甲酰基苯甲酸甲酯；氮气保护条件下，二氯甲烷作为溶剂，加入三氟乙酸，室温下避光搅拌11～12h，加入2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌DDQ，撤去氮气保护，继续搅拌3～4h，用饱和碳酸氢钠溶液猝灭反应，经萃取，水洗，干燥，减压去除溶剂，用硅胶柱层析法提纯化合物，重结晶，得到以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉的晶体。
3.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，所述5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩的制备步骤为：以现蒸馏的干燥正己烷作为溶剂，在氮气保护条件下，将四甲基乙二胺(TMEDA)和正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液逐滴加入至反应溶液中，搅拌10min后，逐滴加入2,2’-联噻吩，回流1～2h，冰水浴冷却至0℃，逐滴加入干燥的四氢呋喃(THF)与苯甲醛的混合溶液，滴加完毕，撤去冰水浴待其恢复至室温，搅拌至原料反应完全；加入冷的氯化铵水溶液猝灭反应，利用二氯甲烷萃取、分别用蒸馏水、饱和食盐水洗涤、干燥后旋蒸除去溶剂得到粗产物，用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂，按照1:1的比例混合，作为洗脱剂进行梯度洗脱，收集洗脱下的组分，并用旋转蒸发仪旋干得到白色固体即5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩。
4.如权利要求3所述的合成方法，其特征在于，所述正己烷、四甲基乙二胺、正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液、2,2’-联噻吩、四氢呋喃、苯甲醛的用量比例为：52mL：4.8mL：20mL：2.66g：20mL：3.38g，其中，正丁基锂(n-BuLi)的正己烷溶液的浓度为1.6mol/L。
5.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于，步骤(2)中，将步骤(1)得到的5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩加入反应瓶，氮气保护条件下，以1,2-二氯乙烷作为溶剂，再加入吡咯，缓慢加入三氟化硼乙醚溶液，梯度升温，回流11～12h；反应结束进行抽滤，去除滤渣，二氯甲烷洗涤反应物，旋蒸除去溶剂；利用中性氧化铝柱对产物进行粗处理，二氯甲烷作为洗脱液，收集组分将有机溶剂旋蒸除去；再用薄层层析硅胶作固定相，以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂作为洗脱剂进行梯度洗脱，其中，二氯甲烷与石油醚的体积比1:3；溶剂在减压条件下除去，得到黄色的油状目标产物3，即5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩。
6.如权利要求5所述的合成方法，其特征在于，所述5,5'-二苯甲羟基-2,2'-联噻吩、1,2-二氯乙烷、吡咯、三氟化硼乙醚的用量关系为3mmol：40mL：10mL：1.6mL。
7.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，所述5,5'-二(苯基-2-吡咯甲基)-2,2'-联噻吩、芳香醛、三氟乙酸、DDQ的用量比为：0.38mmol：0.4mmol：90μL：0.86mmol。
8.如权利要求2所述的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，所述萃取时采用二氯甲烷，水洗时采用饱和食盐水，减压去除溶剂采用旋转蒸发仪，硅胶柱层析法提纯化合物时以二氯甲烷与石油醚的混合溶剂作为洗脱剂进行梯度洗脱，利用旋转蒸发仪将溶剂减压去除。
9.将权利要求1所述的以顺式-联噻吩环为构筑单元连接的八元卟啉用于制备检测Hg2+的传感器的用途。
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